De acordo com os conceitos de cinética química, equilibrio químico e eletroquímica descreva o que acontece quando carregamos um aparelho celular com carregador normal (12 amperes) e com os carregadores chamados turbo (20 amperes).
Lembre e descreva as reações que ocorrem:
a) na bateria do celular durante a carga
b) Quando a bateria descarrega as reações na bateria estão ocorrendo, de que maneira?
c) E com a bateria funcionando normalmente, pense e escreva sobre isso conectando, corretamente, os conceitos.
a) na bateria do celular durante a carga
b) Quando a bateria descarrega as reações na bateria estão ocorrendo, de que maneira?
c) E com a bateria funcionando normalmente, pense e escreva sobre isso conectando, corretamente, os conceitos.
Passo 1
O enunciado pede para usarmos conceitos de cinética química, equilíbrio químico e eletroquímica para descrever o que acontece ao carregar um celular com carregador normal
e turbo
, lembrando de explicitar:
a) as reações na bateria durante a carga;
b) as reações na bateria durante a descarga;
c) o que ocorre com a bateria em funcionamento normal (estado de repouso e equilíbrio eletroquímico).
a) as reações na bateria durante a carga;
b) as reações na bateria durante a descarga;
c) o que ocorre com a bateria em funcionamento normal (estado de repouso e equilíbrio eletroquímico).
Passo 2
Durante a carga de uma bateria de íons de lítio estamos invertendo a reação de descarga. Tomando como exemplo eletrodos grafite/óxido de cobalto-lítio, as principais metass reações são:
Reação global na carga:
Cinética e diferença de carga normal
vs turbo
:
- A velocidade de reação eletroquímica é dada por
onde
é a corrente,
o número de elétrons trocados e
a constante de Faraday.
- Com
a taxa de intercalamento de em grafite é maior, mas isso aumenta a sobrepotencial (polarização), gerando maior aquecimento e risco de formação de dendritos de lítio. - Em correntes mais altas, a limitação por difusão de
no eletrólito e no sólido fica mais severa, afastando o sistema do potencial de equilíbrio e podendo degradar a vida útil da bateria.
Passo 3
Na descarga a reação global e as metass reações se invertem:
Reação global na descarga:
Aqui a corrente de descarga gera fluxo de elétrons pelo circuito externo e íons pelo eletrólito; a cinética depende da mesma relação
, e correntes muito altas também causam polarização e quedas de tensão internas.
Passo 4
Em funcionamento normal, sem carga ou descarga (circuito aberto), a bateria atinge um equilíbrio dinâmico entre as metass reações. O potencial de circuito aberto
vem da diferença de potenciais de cada eletrodo, dada pela equação de Nernst:
em que
é o quociente de reação,
a constante dos gases e
a temperatura.
- No equilíbrio dinâmico há trocas de elétrons e íons em nível molecular, mas o balanço macroscópico de concentrações não muda.
- Pequena auto-descarga ocorre por reações laterais de decomposição do eletrólito ou expansão/contração de eletrodos.
Resposta
a) Na carga, ocorre a oxidação de
no cátodo e a redução de
no ânodo, formando
. A corrente maior
acelera essa cinética mas aumenta sobrepotencial, aquecimento e risco de degradação.
b) Na descarga, invertem-se as reações:
é oxidado no ânodo e
reduzido no cátodo, liberando energia elétrica.
c) Em repouso a bateria está em equilíbrio eletroquímico, com potencial de circuito aberto definido pela equação de Nernst. Há dinâmica molecular de troca de íons e elétrons, mas sem variação na concentração macroscópica, além de pequena auto-descarga por reações secundárias.